FACULTAD DE INGENIERÍA
MECÁNICA ELÉCTRICA
“MANUAL DE SELECCIÓN DE UNIDADES
DE BOMBEO MECÁNICO DEL ACTIVO DE
PRODUCCIÓN
POZA
RICA
REGIÓN
NORTE”
TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICO
PRESENTA:
JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ
ASESOR DE TESIS:
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN... CAPITULO I...
Justificación... Tipo y Naturaleza del Trabajo... Características y Funciones Esenciales...
CAPITULO II...
Procesos del Trabajo
Sub-Tema 1.0 Descripción del Equipo de Bombeo Mecánico... 1.1 Equipo Superficial de Bombeo Mecánico... 1.2 El Motor Principal... 1.3 Conexiones Superficiales... 1.4 Partes Principales... 1.5 Bomba Subsuperficial de Bombeo... 1.6 Sarta de Varillas de Succión... 1.7 Tubería de Producción y Accesorios para Bombeo Mecánico... Sub-Tema 2.0 Conceptos Fundamentales para la Selección de Unidades
de Bombeo Mecánico... 2.1 Principio de Flotación o de Arquímedes... 2.2 Patrón Típico de Cargas en la Varilla Pulida durante el Ciclo de Bombeo ... 2.3 División de Trabajo en un Sistema de Producción Artificial... 2.4 Geometría de las Unidades de Bombeo Mecánico... 2.5 Aceleración en la Varilla Pulida... 2.6 Movimiento Básico de Bombeo en un Sistema no Elástico Simple... 2.7 Contrabalanceo de la Unidad de Bombeo Mecánico... 2.8 Torsión... 2.9 Factores de Torsión... 2.10 Movimiento Armónico Simple... Sub-Tema 3.0 Cálculos para la Selección del Tamaño de la Bomba,
Diseño de la Sarta de Varillas y Carrera Efectiva del Émbolo... 3.1 Selección del Tamaño de la Bomba...
1 2 3 5 6 7 8 8 16 23 25 34 40 45 49 49 50 52 53 68 69 70 74 77 86 90 90
3.4 Factores que Contribuyen a Formar la Carga Total en la Varilla Pulida... 3.5 Carrera Efectiva del Émbolo... 3.6 Potencia de Arranque Necesaria... Sub-Tema 4.0 Métodos Empleados en la Selección de Unidades de Bombeo Mecánico... 4.1 Método Craft-Holden... 4.2 Ejemplos de Aplicación... 4.3 Método API-RP-11 L... 4.4 Ejemplos de Aplicación... Costos... CAPITULO III... .
Aportaciones o Contribuciones al Desarrollo...
BIBLIOGRAFÍA ANEXOS APENDICES 96 108 117 125 125 138 160 166 196 202 203
I N T R O D U C C I Ó N
Este trabajo ha sido elaborado para las personas interesadas en la selección de las Unidades de Bombeo Mecánico, su contenido se ha diseñado para que sea entendible y práctico. Sus objetivos son proporcionar el conocimiento acerca de los factores que intervienen y deben tomarse en cuenta en la selección de Unidades de Bombeo Mecánico de un pozo y despejar las dudas de cómo y por qué se instalan diferentes tipos de unidades de Bombeo Mecánico en los pozos.
Existen conceptos que se deben conocer para seleccionar Unidades de Bombeo Mecánico, tales como: patrón típico de cargas en la varilla pulida durante el ciclo de bombeo, geometría de las unidades de bombeo mecánico, aceleración en la varilla pulida, contrabalanceo de la unidad de bombeo mecánico, torsión, factores de torsión, principio de flotación o de Arquímedes y el movimiento armónico simple.
Dentro de los diseños de instalaciones de Bombeo Mecánico existen dos métodos que se aplican en el Activo de Producción Poza Rica, éstos son e l método Craft-Holden y el API-RP-11L; el primero se efectúa en menor porcentaje, el segundo, es el que más se aplica, ya que éste en comparación con el método Craft -Holden da más tolerancia en el cálculo de la torsión que puede soportar el reductor de engranes de las Unidades de Bombeo Mecánico. Estos métodos se presentan en este trabajo con ejemplos de aplicación, sintetizando el procedimiento de cada uno y utilizando las tablas de los anexos para hacer más sencillo el procedimiento de selección de Unidades Bombeo Mecánico en un pozo.
El contenido de este trabajo se aplicará en la práctica de campo, de tal manera que se podrán calcular las emboladas necesarias y la carrera exacta en las unidades de bombeo mecánico, así como el espaciamiento adecuado entr e la válvula viajera y válvula de pie para evitar el candado de gas en el interior de la bomba, reflejándose todo esto en una eficiencia más alta, un punto óptimo de operación y una producción mayor del pozo.
JUSTIFICACIÓN
El sistema artificial de explotación de bombeo mecánico se aplica en los pozos que no tienen la energía suficiente para elevar los hidrocarburos a la superficie por sí solos, este sistema, ayuda a continuar con la explotación del pozo hasta su última etapa como productor.
Este sistema se implantó en el Activo de Producción Poza Rica de PEMEX región Norte desde el año de 1957, y en forma masiva en la década de los 90’s por la necesidad de eliminar los gasoductos de alta presión que atravesaban la zona urbana, ya que éstos formaban un peligro para la sociedad. Por este motivo se utilizaron las Unidades de Bombeo Mecánico, ya que proporcionan un bajo costo con respecto a otros sistemas de explotación artificial y principalmente, eliminan el peligro latente de los gasoductos de alta presión que atraviesan la zona urbana.
El uso frecuente de las Unidades de Bombeo Mecánico en los diferentes pozos con este sistema, hicieron que se fueran adquiriendo conocimientos básicos sobre su operación, dados principalmente por la práctica, pero existe la falta de información de porqué se instala una Unidad de Bombeo Mecánico, ya que existen en la actualidad diferentes tipos y cuales son los datos principales que deben tomarse en cuenta para la selección de unidades. Además, esta falta de información hace que en ocasiones lleguen a cambiarse las condiciones de operación en la unidad.
El presente trabajo presenta los parámetros que se deben tomar en cuenta para la selección de Unidades de Bombeo Mecánico, así como los cálculos necesarios para seleccionar adecuadamente el tipo de unidad que debe tener el pozo, para obtener una operación correcta y sin esfuerzos en el reductor de engranes de la Unidad de Bombeo Mecánico; al final de la lectura, se comprenderá los motivos de instalar unidades con diferente tamaño y tipo.
El trabajo está organizado en tres capítulos. En el capítulo uno se presenta la justificación, tipo y naturaleza del trabajo, así como sus características y funciones esenciales.
El capítulo dos se subdivide en cuatro sub-temas que son los siguientes: Sub-tema uno: Descripción del Equipo de Bombeo Mecánico.
En este subtema, se describe el sistema artificial de explotación de Bombeo Mecánico, el cual tiene como objetivo principal, elevar los fluidos aportados por un pozo petrolero. El Sistema de Bombeo Mecánico debe ser resistente, de larga vida, eficiente, fácil y barato de transportar; silencioso, no contaminante, seguro de instalar y de operar, también se describen las partes esenciales del sistema de bombeo mecánico son:
1) El equipo superficial de bombeo (Unidad de Bombeo Mecánico) y las conexiones superficiales.
2) El motor principal.
3) La bomba subsuperficial impulsada por varillas y sus accesorios. 4) La sarta de varillas de succión.
5) La tubería de producción (T.P.) y accesorios para bombeo mecánico. Finalmente, se mencionan las funciones de cada componente del sistema.
Sub-tema dos: Conceptos Fundamentales para la Selección de Unidades de Bombeo Mecánico.
En este subtema se exponen y analizan los conceptos fundamentales que se aplican en la selección de Unidades de Bombeo Mecánico tales como:
Principio de Flotación o de Arquímedes Patrón típico de cargas en la varilla pulida
D i v i s i ó n d e l t r a b a j o e n u n s i s t e m a d e e x p l o t a c i ó n a r t i f i c i a l
Geometría de las Unidades de Bombeo Mecánico Aceleración en la varilla pulida
Torsión
Sub-tema tres: Cálculos para la Selección del Tamaño de la Bomba, Diseño de la Sarta de Varillas y Carrera Efectiva del Émbolo.
En este subtema se presenta una metodología para calcular el tamaño de la bomba, diseñar la sarta de varillas y la carrera efectiva del émbolo. Posteriormente, esta metodología se aplica a ejemplos reales.
Sub-tema cuatro: Métodos Empleados en la Selección de Unidades de Bombeo Mecánico.
En este subtema se consideran dos métodos para seleccionar la unidad adecuada, de acuerdo con las características que tiene el pozo como son: profundidad, varillas, diámetro del émbolo, carga máxima y carga míni ma en la varilla pulida, diámetro de la tubería de producción, carrera en la unidad de bombeo mecánico, densidad relativa del fluido, profundidad de la bomba y profundidad del nivel dinámico.
Además se presenta un análisis de costos de las Unidades de Bom beo Mecánico. En el capítulo tres se presentan las contribuciones o aportaciones al desarrollo, que es la siguiente: Guía rápida para la selección de Unidades de Bombeo Mecánico según el método API-RP 11L.
TIPO Y NATURALEZA DEL TRABAJO
El presente trabajo práctico técnico que tiene como título “Manual de Selección de Unidades de Bombeo Mecánico en el Activo de Producción Poza Rica Región Norte”, encuentra relevancia en el ámbito del Activo de Producción Poza Rica, ya que sirve de apoyo a operadores y demás personal relacionado con las Unidades de Bombeo Mecánico.
En este trabajo se hace una descripción de los diferentes equipos, de los parámetros importantes que deben controlarse para una óptima operación de las unidades. Así mismo, se presentan una serie de procedimientos y ejemplos de cálculo que posteriormente se emplearán para seleccionar conforme las condiciones del pozo, la Unidad de Bombeo Mecánico adecuada. Finalmente se presentan metodologías de cálculo para realizar la selección de la Unidad de Bombeo Mecánico.
A diferencia del sistema artificial de explotación de bombeo neumático, el sistema artificial de bombeo mecánico en el Activo de producción Poza Rica es de menor peligrosidad para la población y para el entorno ecológico, es por ello que se empezaron a utilizar las Unidades de Bombeo Mecánico, además de que representan un bajo costo de mantenimiento y de operación.
Las Unidades de Bombeo Mecánico son operadas por un motor primario, el cual proporciona movimiento a las bandas de la polea del reductor de engranes y este a su vez, a un conjunto de bielas y manivelas las cuales proporcionan un movimiento reciprocante al balancín de la unidad. El movimiento reciprocante hace que la unidad extraiga la sarta de varillas que tiene el pozo de acuerdo con la longitud de carrera que tiene la unidad, además de operar la bomba de inserción que se encuentra en el fondo del pozo.
La función de efectuar el movimiento reciprocante a una sarta de varillas acopladas a una bomba, es que los hidrocarburos contenidos en el fondo del pozo, se puedan elevar a la superficie con la ayuda de otro sistema de explotación artificial, a través de una tubería de producción que se encuentra hasta al superficie, y después conducirla por líneas hasta la siguiente etapa, que es la separación.
CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES ESCENCIALES
El presente trabajo tiene como característica ser un trabajo práctico técnico de consulta y guía para el estudiante de la carrera de Ingeniería Mecánica Eléctrica, el operador de Unidades de Bombeo Mecánico y demás personal interesado en esta campo, ya que al entrar en materia podrá obtener información clara de lo que es una Unidad de Bombeo Mecánico, su funcionamiento y selección.
La función esencial del presente trabajo práctico técnico es cumplir con los siguientes objetivos:
Describir detalladamente los diferentes tipos de Unidades de Bombeo Mecánico.
Describir el funcionamiento y aplicación de los diferentes tipos de Unidades de Bombeo Mecánico.
Proporcionar un conocimiento elemental de los conceptos y principios fundamentales aplicables a la selección de Unidades de Bombeo Mecánico.
Describir los cálculos necesarios para seleccionar el tamaño de la bomba, el diseño de la sarta de varillas y la carrera efectiva del émbolo.
Describir los métodos empleados en la selección de las Unidades de Bombeo Mecánico, analizarlos y seleccionar el más recomendable.
Desarrollar una guía rápida para la selección de Unidades de Bombeo Mecánico.
Presentar un análisis de costos del equipo según se adquiera nuevo, se repare o se rente. Excluyendo costos por mano de obra.
COSTOS
Con la finalidad de efectuar un análisis de costos de los accesorios para la explotación del sistema artificial de Bombeo Mecánico, se enlistan los accesorios y cada uno de los precios unitarios, necesarios para la operación de una Unidad de Bombeo Mecánico.
Descripción Unida
d
Precio Unitario Bomba Sub-superficial marca Trico de 1 ½” a 2 ½” , tolerancia
entre barril y pistón de 0.003”, equipada con barril de acero recubierto de cromo en su diámetro interior, de pared gruesa con válvulas de Carburo de Tugsteno, diseño especial con doble anclaje, inferior mecánico y superior de tres copas de material plástico, válvula “Top-Ring” para evitar candado de gas, accesorios de acero endurecido para uso en ambiente con presencia de CO2 y H2S,
incluyendo zapata candado, niple sello y tres juegos de copas extras.
Pieza $49,571.44
Varilla de succión marca Trico o calidad igual o superior API clase
“D” con cople liso de ¾” x 25 pies de longitud. Pieza $486.40 Varilla de succión marca Trico o calidad igual o superior API clase
“D” con cople liso de 7
/8” x 25 pies de longitud.
Pieza $612.71 Varilla de succión marca Trico o calidad igual o superior API clase
“D” con cople liso de 1” x 25 pies de longitud. Pieza $887.70 Varilla pulida marca Trico o calidad igual o superior, de acero de
aleación, carbón, manganeso, cromo molibdeno con acabado espejo aproximado de 8 a 32 micrones de acuerdo a especificaciones API con capacidad de 95,000 a 160,000 lbs de carga a la tensión de 1 ½” x 22 pies.
Pieza $9,364.45
Mordaza para varilla pulida de 1 ½” con 3 orificios serie 10 de
40,000 lbs de carga. Pieza $1,222.58
Cople combinación API para varillas de succión de ¾” a 7
/8”
marca Trico Pieza $379.59
Cople combinación API para varillas de succión de 7/8” a 1”
marca Trico Pieza $533.29
Brida colgadora marca “Wellhead Inc.” Modelo W2F, 3M 7 1
/16” ,
ranura para junta de acero RTJ-45, rosca macho de 3” ext. x 2 ½” y rosca caja para colgar tubería de 2 7/8” según designación API,
incluyendo 12 espárragos de 1 1/8” diam x 9” long., 24 tuercas y una junta de acero R-45.
Pieza $11,851.20
Preventor de doble empaque marca “DOBLE E” para varilla pulida
de 1 ½” , modelo LP-15, incluyendo 5 juegos de empaques. Pieza $7,412.82 Estopero preventor marca “KVF” o calidad igual o superior para la
Tee roscada marca “KVF” calidad igual o superior, acero al carbón
de 3,000 lbs/plg2 de 3x3x2” con tapón ciego Pieza $1,594.66
Niple de 3” marca Capitol, calidad igual o superior, 6” longitud
roscado en ambos extremos, acero al carbón de 3,000 lbs/plg2. Pieza $172.48 Cople de 3” marca Trico, calidad igual o superior, de acero al
carbón de 3,000 lbs/plg2. Pieza $532.38
Unidad de Bombeo Mecánico Pieza $1’500,000
Con las siguientes características de un pozo, y utilizando el método de selección de Unidades de Bombeo Mecánico API, se efectuará el análisis de costos para la instalación de los accesorios nuevos para el sistema Artificial de Explotación de Bombeo Mecánico. Datos: D = 2” dtp = 2 7/8” LT = 6000 pies dr = 1”, 7/8” y ¾” H = 6000 pies N = 13 spm S = 168 plg q = 350 BPD G = 0.870
Consultando la tabla 3 del anexo A, se tiene que para un diámetro de émbolo de 2” y una sarta compuesta por varillas de 1” , 7/8” y ¾” , corresponde una varilla No. 86
con los siguientes porcentajes para cada sección: R1 = 32.8 % R2 = 33.2 % R3 = 33.9 % Entonces: Li = (Ri/100) x LT i = 1, 2, 3 .... n L1 = (32.8/100) x (6000) = 1968 pies de varilla de 1” L2 = (33.2/100) x (6000) = 1992 pies de varilla de 7/8” L3 = (33.9/100) x (6000) = 2034 pies de varilla de ¾”
Como cada una de las varillas de succión miden 25 pies de longitud, se tendrá que dividir la longitud de la primera sección entre la longitud de cada varilla, de la misma manera se hará con las otras dos secciones de varillas. Con ello sabrá cuantas varillas necesitará de cada diámetro para satisfacer las condiciones de profundidad total de la sarta de varillas
L1 = 1968 25 = 78.72, por aproximación se emplearán 79 varillas de 1”
L2 = 1992 25 = 79.68, por aproximación se emplearán 79 varillas de 7/8”
L3 = 2034 25 = 81.32, por aproximación se emplearán 82 varillas de ¾”
De acuerdo con la tabla de los precios unitarios se tiene que:
No de Varillas Precio Unitario Total
79 $887.70 $70,128.3
79 $612.71 $48,404.09
82 $786.70 $64,509.4
GRAN TOTAL $183,041.79
Para unir las varillas de un diámetro inferior a uno superior, se utilizan coples adaptadores, en este caso se utilizarán dos coples adaptadores, uno de ¾” a 7/8” y otro de 7
/8” a 1”.
Cople combinación Precio Unitario Total
¾” a 7
/8” $379.50 $379.50
7
/8” a 1” $533.29 $533.29
GRAN TOTAL $912.79
La bomba de inserción de 2” con los accesorios tiene un precio de:
$49,571.44
La varilla pulida tiene un precio unitario de:
$9,364.45
La mordaza con la cual se sujeta la varilla pulida con una capacidad de carga de 40,000 lbs/plg2 tiene un precio de:
$1,222.58
La brida colgadora marca “Wellhead Inc.” 7 1
/16” , rosca macho de 3” ext. x 2 ½”
y rosca caja para colgar tubería de 2 7/8” y una junta de acero R-45 tiene un precio
unitario de:
El Preventor de doble empaque marca “DOBLE E” para varilla pulida de 1 ½” , modelo LP-15 tiene un precio de:
$7,412.82
Estopero preventor de 3” , para varilla pulida de 1 ½” , tiene un precio unitario de:
$3,780.32
La Unidad de Bombeo Mecánico marca Lufkin tipo Convencional tiene un precio unitario de:
$1’500,000.00
La utilización de accesorios nuevos para un sistema artificial de explotación de Bombeo Mecánico, tiene los siguientes valores:
Varillas $183,041.79 Coples combinación $912.79 Bomba de inserción $49,571.44 Varilla pulida $9,364.45 Mordaza $1,222.58 Brida colgadora $11,851.20 Preventor $7,412.82 Estopero preventor $3,780.32 Unidad de Bombeo Mecánico $1’500,000.00
La suma total del acondicionamiento para este sistema de explotación tiene un gasto aproximado en accesorios de
GRAN TOTAL $1’767,157.39
La producción bruta del pozo que se instalaron estos accesorios, es de aproximadamente 40 metros cúbicos, con un porcentaje de agua del 12%.
La producción neta del pozo es de: P.N. = 40 - (40)(0.12)
P.N. = 35.2 m3
Entonces, la producción neta en barriles es de: P.N. = (35.2)(6.2905)
La cotización del dólar actualmente es de 9.74 pesos mexicanos, y el barril de petróleo es de 22.30 dólares, por lo tanto la producción diaria del pozo es aproximadamente de:
1 Barril = 217.20 Pesos Mexicanos
La producción neta que aporta el pozo tiene un costo diario aproximado de: (Precio del Barril) (Producción Neta)
(217.20) (221.42)
$48,092.42
El costo aproximado de extraer el aceite, enviarlo a separación, almacenarlo, pagar el consumo de energía eléctrica del motor a Comisión Federal de Electricidad y venderlo es de aproximadamente de:
11 Dólares por cada Barril de aceite
Como el pozo produce 221.42 barriles diarios, entonces: (11)(9.74) = $107.14
(107.14) (221.42) = $23,722.94
Este es el costo de extraer la producción de 221.42 barriles diarios, lo que reditúa en una ganancia diaria de:
48,092.42 – 23,722.94 = $24,369.48
Este resultado se tendrá que multiplicar por el número de días, para conocer en que tiempo se pagará el equipo, entonces:
($24,369.48) (73 días) = 1’778,972.04
Esto quiere decir que los accesorios y el equipo de Bombeo Mecánico se pagarán en aproximadamente 73 días después de su intervención. Después de los 73 días, el equipo ya es rentable, es decir, continúa pagándose hasta su próximo cambio de accesorios, pagando únicamente los gastos de extracción, separación y venta.
Otro análisis de costos, se realizará con los accesorios reparados, es decir, únicamente con el cambio de la sarta de varillas de succión, la varilla pulida y los coples combinación de las varillas, los otros accesorios son proporcionados por los talleres donde se hacen la reparación de los mecanismos.
Los coples combinación para la sarta de varillas tienen un precio de: $912.79 La varilla pulida tiene un costo de: $9,364.45
Los Sellos de hule de los preventores doble “E” tipo LP-15 y del estopero preventor tienen un valor de: $586.88
Estos tres accesorios hacen un total de:
$193,319.03
Estos los únicos gastos de accesorios del sistema de Bombeo Mecánico, por lo que resulta más rentable. A continuación se hace el análisis para saber en que tiempo se pagan estos accesorios:
La producción neta del pozo es de 221.42 Barriles por día, por esta producción se obtienen $48,092.42 diarios. Además, por extraer un barril de petróleo crudo, separarlo, almacenarlo, pagar a Comisión Federal de Electricidad la energía consumida por el motor eléctrico que opera la unidad de Bombeo Mecánico, y comercializarlo tiene un costo de 11 dólares ($107.14). Multiplicando esta cantidad por el número de barriles que produce el pozo se tiene que:
(107.14) (221.42) = $23,722.94
Esta cantidad es el costo de producir 221.42 barriles diarios. Entonces la ganancia es aproximadamente de:
48,092.42 – 23,722.94 = $24,369.48
Este resultado se tendrá que multiplicar por le número de días, para conocer en que tiempo se pagará el equipo, entonces:
(24,369.48) (8 días) = $194,955.84
Por lo que los accesorios se pagarán en ocho días, después de los ocho días la ganancia diaria será de: $24,369.48
La utilización de accesorios reparados es más económica como se observa en el análisis de costos, aunque pueden causar anomalías indeseables en el sistema, por ello es recomendable la utilización de accesorios nuevos, ya que ellos proporcionan una mayor seguridad a situaciones imprevistas por ejemplo: ruptura de la sarta de varillas o de la varilla pulida, provocando fuga de hidrocarburos a la atmósfera, además de volver a intervenir el pozo y hacer cambio de los accesorios dañados. Otra importancia son los mecanismos de seguridad como son los preventores y estoperos preventores que tienen la función de aislar la presión interna del pozo cuando se requiera. El preventor más seguro es el doble “E” LP-15, ya que cierra herméticamente los sellos de hule aún sin varilla.
1.0 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE BOMBEO MECÁNICO
El Sistema artificial de explotación de Bombeo Mecánico tiene como objetivo elevar los fluidos a la superficie cuando el pozo ha dejado de fluir por l a presión natural de yacimiento. Partiendo desde el nivel dinámico y un nivel neto del pozo, se efectuarán los cálculos necesarios para el diseño de la instalación con un mínimo de:
Torsión.
Carga en la varilla pulida. Rango de cargas en las varillas.
Requerimientos de potencia del motor principal. Costos de combustible o energía.
Costo de mantenimiento de la unidad. Roturas de varillas.
Producción diferida por rotura de varillas o por reparación y mantenimiento de la unidad.
Costo de instalación. Costo inicial.
Adicionalmente, el Sistema de Bombeo Mecánico debe ser resistente, de larga vida, eficiente, fácil y barato de transportar; silencioso, no contaminante, y seguro de instalar y de operar.
Las partes esenciales del sistema de bombeo mecánico son:
1) El equipo superficial de bombeo (U.B.M.) y las conexiones superficiales. 2) La bomba subsuperficial impulsada por varillas y sus accesorios.
3) La sarta de varillas de succión.
4) La tubería de producción (T.P.) y accesorios para bombeo mecánico.
1.1 EQUIPO SUPERFICIAL DE BOMBEO MECÁNICO
Su función es transferir energía del motor principal a la sarta de varillas de succión a través de la Unidad de Bombeo Mecánico para hacer esto, el equipo debe cambiar el movimiento rotatorio del motor principal, a un movimient o reciprocante en las varillas de succión y debe reducir la velocidad del motor principal a una velocidad adecuada de bombeo. La reducción de velocidad se logra en el reductor de engranes, y al resto del equipo concierne el cambio de movimiento rotatorio e n reciprocante.
La unión directa entre la sarta de varillas de succión y el equipo superficial, es la varilla pulida. La varilla pulida está disponible en tres tamaños y para cualquier instalación en particular, ese tamaño depende del diámetro de la tube ría de producción y del diámetro de las varillas de succión en la parte superior de la sarta la varilla pulida pasa a través de un estopero y el fluido que ha sido elevado
pasa a través de una conexión tipo “T” hacia las conexiones superficiales y éstas a su vez a una línea de descarga hasta la batería de separación.
La varilla pulida va unida al cable colgador a través de una mordaza que sujeta a la misma después de recuperar el peso de la sarta de varillas, procurando darle el espaciamiento mínimo entre la válvula viajera y válvula de pie para evitar que la bomba succione gas y a la vez no golpee la válvula guía con el conector (que no se escuche golpeteo en la superficie).
El peso de la sarta de varillas, del fluido y las tensiones y fricciones en la misma, son soportadas por la mordaza que aprieta a la varilla pulida. Esta mordaza recarga sobre el elevador, que es sostenido por el cable colgador. El cable colgador va sujeto a la cabeza de caballo colocado en el extremo del balancín. El diseño apropiado de estos componentes, la nivelación y la alineación de la U.B.M. con respecto al árbol del pozo, aseguran el viaje vertical de la varilla pulida a través del estopero, reduciendo el desgaste de los hules, manteniendo un buen sello y evitando fugas de fluido en la superficie.
El poste Sampson sostiene al balancín en cierto punto de éste, dependiendo de la geometría de la Unidad de Bombeo Mecánico, el movimiento del balancín se transmite por medio de la biela, la cual recibe el movimiento de la manivel a; la distancia de la flecha del reductor al cojinete de la biela (muñón), define la longitud de carrera de la varilla pulida. La mayoría de las unidades tiene tres orificios para el muñón en el Activo de Producción Poza Rica (algunas cuentan con cuatro) y se definen como carrera mínima, intermedia y máxima, con su respectiva medida de longitud en pulgadas, excepto en la unidad hidroneumática Tieben, sin embargo, el objetivo es el mismo. Los tipos de unidades con que cuenta el Activo Producción Poza Rica son:
a) Unidad Convencional
En la Unidad de Bombeo Mecánico convencional, la cual se muestra en la figura 1 su balanceo es a través de contrapesos y su rotación (vista del lado izquierdo de la unidad), es en contra del sentido de las manecillas del reloj; pu ede operar en sentido contrario, ya que la rotación de los dos lados dá lubricación a los engranes del reductor pero no es correcto, ya que debe tener el mismo sentido de giro del motor eléctrico.
b) Unidad Mark II
En la Unidad de Bombeo Mecánico Mark II, la cual se muestra en la figura 3 su balanceo es a través de contrapesos y su rotación (vista del lado izquierdo de la unidad), es conforme a las manecillas del reloj, ya que su sistema de lubricación en el reductor es exclusivamente para esta rotación. No debe operar en rotación contraria porque dañaría considerablemente el reductor.
c) Unidad Aerobalanceada
En la Unidad de Bombeo Mecánico aerobalanceada, la cual se muestra en la figura 2 el balanceo es a través de aire suministrado por un motocompresor hac ia un cilindro amortiguador. El motocompresor se calibra a un paro y a un arranque automático, dependiendo del peso de la sarta de varillas para que el motor principal opere sin esfuerzos. Su rotación y el sistema de lubricación del reductor es igual al de la unidad convencional.
Las partes principales de la unidad aerobalanceada son iguales a las de las unidades Mark II y Convencional, excepto el motocompresor y el cilindro amortiguador que son partes exclusivas de la unidad aerobalanceada.
d) Unidad Hidroneumática Tieben
La Unidad Tieben (ver figuras 4 y 5) se compone de dos sistemas básicos:
Sistema Hidráulico.- Consta de un Cilindro Hidráulico de efecto doble (1), una Válvula de Control Direccional de cuatro vías (2) y una Bomba Maestra de Engranes (3). Este sistema proporciona el movimiento necesario, ascendente y descendente, para el funcionamiento de la Bomba subsuperficial (ver figura 5). Sistema de Balanceo Hidroneumático.- Consta de un Cilindro Hidráulico de
efecto simple (4), un paquete de Tanques de Nitrógeno (6), un Cilindro Hidroneumático de efecto doble (5) (acumulador), y una Bomba Auxiliar de Engranajes (7) ver figura 5. Este balanceo funciona en base a dos magnitudes: una constante y otra variable.
La Constante.- Es la cantidad de fluido hidráulico necesario para ocupar la mitad de los dos cilindros, por debajo de cada émbolo y el tubo que los comunica: 5 galones en unidades de 60” de Carrera, 10 galones en unidades de 120” y 15 galones en las de 180”.
La Variable.- Es la cantidad de nitrógeno que se aplica a los tanques y a la parte superior del acumulador, la cual será proporcional al peso de la sarta de varillas de succión, junto con la columna de crudo. Este sistema equivale a los contrapesos de las unidades convencionales y Mark II, y al cilindro neumático de las unidades aerobalanceadas.
La presión del nitrógeno sobre la parte superior del émbolo del acumulador equivale al peso de la sarta. El sistema hidráulico descrito al principio, se encarga de romper este equilibrio en uno y otro sentido alternativamente, o sea, en la carrera ascendente y en la descendente.
UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA
TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.1 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO
CONVENCIONAL
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.2 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO
AEROBALANCEADA JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.3 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO
MARK II
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.4 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO
HIDRONEUMÁTICA (TIEBEN) JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.5 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO
HIDRONEUMÁTICA (TIEBEN) JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ
1.2 EL MOTOR PRINCIPAL
La función del motor principal es proporcionar a la instalación energía mecánica que eventualmente será transmitida a la bomba y usada para elevar el fluido. El motor principal seleccionado para una unidad dada, debe, por supuesto, tener suficiente potencia para elevar el fluido al ritmo deseado desde el nivel de trabajo del fluido en el pozo. El motor principal puede ser una máquina de combustión interna (gas natural o diesel) o puede ser un motor eléctrico.
La selección del tipo de motor principal depende de los recursos locales, del suministro y costo del combustible (diesel, gas natural) o energía eléctrica, de la capacidad para el mantenimiento y de la existencia de personal experimentado.
El uso de motores eléctricos facilita el análisis del comportamiento de la unidad de bombeo en dos aspectos:
1. Permite medir con un amperímetro de gancho, el rango de trabajo y así observar cuando existe una pérdida o sobr ecarga del peso en la sarta de varillas sin interferir con la operación del pozo.
2. Tienen un bajo costo inicial, menor costo de mantenimiento y son más fáciles de ajustar a un sistema automático.
Por otra parte, las máquinas de gas tienen la ventaja de u n control de velocidad más flexible y pueden operar en un rango más amplio de condiciones de carga. El costo del combustible puede ser inferior al de la energía eléctrica, aunque conforme se incrementan los costos del combustible, esta condición puede invertirse.
Cualquier diseño para la instalación del bombeo mecánico, debe considerar el comportamiento de todos los elementos del sistema y las interacciones entre ellos. Sin embargo, aún existen aspectos de ingeniería de este sistema de producción artificial que no han sido resueltos satisfactoriamente, por lo que es necesario comprender el proceso de bombeo, debido a la tendencia de bombear pozos cada vez más profundos.
Motores de Combustión Interna y Eléctricos a) Motores de combustión interna
Se llama motor de combustión interna a todo motor en el cual la materia que trabaja es producto de la combustión del aire y del combustible; esta combustión generalmente se lleva a cabo en el cilindro de trabajo.
Entre los motores de combustión interna, se ti enen: 1. Motores diesel o motores por compresión.
2. Motores de gasolina o motores de explosión por chispa. 1. Motores Diesel o Motores por Compresión
Se llama motor diesel a todo motor de combustión interna en el cual el combustible se inyecta cuando la compresión está a punto de terminarse, y el combustible entra en ignición, únicamente debido al calor producido por la compresión del aire carburante. En este tipo de motores sólo se aspira aire inicialmente y se comprime unas 16 veces su volumen inicial, quedand o, por lo tanto, contenido en muy poco espacio. Al hallarse de esta forma comprimido, el aire aumenta mucho su densidad, así como su presión y temperatura, llegando a alcanzar valores de 600º C. Al final de esta compresión, cuando el cilindro está aproximadamente en el punto muerto superior, se inyecta dentro del cilindro un combustible pesado que puede ser aceite crudo, residuos de refinería o aceites destilados, el cual, al entrar en contacto con el aire muy caliente que se halla comprimido, produce la combustión, quemándose las partículas de combustible a medida que van entrando en la cámara. Al mismo tiempo que esto ocurre, el émbolo se va moviendo, aumentando el volumen de la cámara de combustión.
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.6 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
A DIESEL
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.7 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ
2. Motor de Gasolina o Motor de Explosión por Chispa
En este tipo de motores se aspira una mezcla de aire –carburante, la cual reduce aproximadamente 6 veces su volumen inicial. Los motores de combustión interna (por efectuarse la combustión dentro del mismo motor) o de explosión aprovechan la expansión de los gases producidos por la combustión viva de una mezcla carburante, en la cámara de combustión del cilindro; los gases empujan un émbolo y éste es convertido en movimiento giratorio del cigüeñal, por medio de una biela. Pueden funcionar con arreglos a ciclos de cuatro o de dos tiempos, en el primer caso, los ciclos se suceden como sigue:
Admisión.- el émbolo, arrastrado por el cigüeñal, b aja y aspira en el cilindro la mezcla carburante procedente del carburador.
Compresión.- el cigüeñal hace subir el émbolo, el cual comprime fuertemente la mezcla carburante en la cámara de combustión.
Explosión.- la chispa que salta entre los electrodos de la bujía inflama la mezcla, produciéndose una violenta dilatación de los gases de combustión que empujan el émbolo, en la cual el émbolo produce trabajo y arrastra el cigüeñal.
Escape.- el émbolo vuelve a subir y expulsa los gases de la combustión. La apertura de las válvulas de admisión y de escape, así como la producción de la chispa en la cámara de combustión, se obtiene mediante mecanismos sincronizados con el cigüeñal.
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO
FIG.8 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A GASOLINA
JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.9 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A
GASOLINA
JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´
b) Motor Eléctrico
Es una máquina que convierte la energía eléctrica en movimiento rotatorio o energía mecánica, con objeto de que efectúe un trabajo útil. Los motores elementales funcionan a base de interacción de dos campos magnéticos: uno se produce alrededor de un conductor que lleva corriente y otro es un campo magnético fijo. Un motor común produce movimiento rotatorio continuo. Esto lo hace originando una fuerza de giro o par, sobre un conductor que lleva corriente, al cual se le ha dado forma de espiral. Cuanto mayor sea el par, más trabajo útil puede desempeñar el motor. Entre los motores eléctricos se tienen:
1. Motor de corriente continua.
2. Motor de inducción de corriente alterna. 3. Motor de velocidad variable.
MOTORES ELÉCTRICOS
1. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
Los campos magnéticos en estos motores son producidos por devanados estacionarios llamado estator y por devanados rotatorios en el núcleo del rotor. El circuito de un extremo a otro de los devanados del inducido en el motor típico de corriente continua, se completa mediante escobillas de carbón estacionarias. Las escobillas están en contacto con los segmentos del colector, que se conectan en los devanados del rotor. Cuando se suministra potencia a la armadura a través de las escobillas, también se origina un flujo magnético alrededor de la armadura. Este flujo es el que interactúa con el campo magnético donde está suspendida la armadura para producir el par que hace funcionar el motor.
El principio de funcionamiento del motor de corriente continua (C.C.) consiste en la circulación por las bobinas de la armadura o inducido, de una corriente que hace que este se magnetice generando una atracción entre los polos de la armadura y los polos del campo d el signo contrario, haciendo girar la armadura.
Los motores y los dínamos de corriente continua, tienen esencialmente los mismos componentes y se parecen mucho en su aspecto exterior, la diferencia radica en que el dínamo de corriente continua, convierte la energía mecánica en energía eléctrica, y el motor de corriente continua convierte energía eléctrica en energía mecánica.
Este tipo de máquinas de corriente continua, tropiezan con ciertas dificultades por el trabajo de conmutación que requiere escobi llas, portaescobillas, carbones, líneas neutras etc.; no así los motores de corriente alterna.
2. MOTOR DE INDUCCIÓN DE CORRIENTE ALTERNA
Los motores de corriente alterna son los más empleados debido a su robustez, simplicidad, ausencia de colector y a las características de funcionamiento tan adecuadas para el trabajo a velocidad constante. El motor funciona basándose en el principio de que, cuando un flujo magnético corta a un conductor cerrado, se induce corriente en él. Estos reaccionan con el flujo y c rean una fuerza en la dirección del movimiento del campo magnético, de acuerdo con el principio de la acción motriz, si gira el flujo y corta a un disco o cilindro conductor, se desarrolla un par y el disco o cilindro tiende a girar en el mismo sentido que el flujo al conductor, anulándose las corrientes inducidas y por lo tanto, el par. Deberá pues, haber deslizamiento entre el campo giratorio y el conductor. En el motor de inducción existe un órgano fino llamado estator y otro giratorio llamado rotor.
La acción del campo magnético induce corriente en el rotor al atravesar los conductores de éste, generando un campo magnético que reacciona con el campo del estator, ejerciendo en el rotor una torsión que lo hace girar. Los tipos de rotores que se utilizan en los motores de inducción son: el rotor de jaula de ardilla y el rotor de enbobinado.
En el Activo de Producción Poza Rica éstos son los rotores más utilizados. Por su versatilidad, son ideales para trabajar a velocidades constantes determinadas por la frecuencia de la corriente alterna aplicada a sus terminales pueden diseñarse para trabajar con una línea de corriente alterna monofásica ó polifásica, no importando, pues el principio de operación es el mismo: la corriente alterna aplicada al motor produce un campo magnético giratorio, el cual a su vez hace girar al rotor.
En el Activo de Producción Poza Rica, se utilizan los motores de corriente alterna para los trabajos en diferentes secciones y departamentos, debido a su versatilidad, costo y economía.
El motor Econo-Pac II, del cual se hablará, se utiliza para realizar el trabajo mecánico, mediante un juego de bandas y poleas sincronizadas, alineadas por su cara interna.
El motor eléctrico Econo-Pac II (ver figura 10) es el único que cuenta c on cuatro pares de arranque, los cuales se utilizan de acuerdo al diseño y condiciones que se requieran.
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.10 MOTOR ELÉCTRICO ECONO -PAC II
JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ
El motor eléctrico, parte principal de la Unidad de Bombeo Mecánico, se puede modificar en sus conexiones para realizar el trabajo que se requiera, aumentando o disminuyendo el amperaje.
También cuenta con un tablero de control para proteger su buen funcionamiento, con piezas especiales como son: el contactor, relevador, transformador, timer, tablilla, conexiones, relay sobre corriente con elementos bimetálicos, los cuales se abren por el paso excesivo de amperaje protegiendo así el motor, cuenta en el interior del devanado con termosensores de calor conectados en serie al mismo tiempo con el tablero.
Se encuentra equipado con dos resistencias precalentadoras, evitando así la presencia de humedad, estas trabajan cuando el motor s e encuentra desenergizado. 3. Motor de Velocidad Variable
Este tipo de motor presenta tres elementos esenciales que accionan juntos para operar una Unidad de Bonbeo Mecánico., de acuerdo a las necesidades del pozo son: 1. Acoplamiento magnético entre el motor y la flecha motriz de la unidad de fuerza. 2. Controles electrónicos ajustables de velocidad para la carrera ascendente y la carrera
3. Sistema de retroalimentación que monitorea el motor y sus salidas, ajustándolas para mantener más eficientes los niveles de operación.
Por estos elementos, el motor de velocidad variable se operará primero y después el embrague, esto permite que la flecha reciba el esfuerzo con una velocidad constante del motor; posteriormente se le da la velocidad adecuada de bombeo, ya sea en la carrera ascendente o descendente y aumentando o disminuyendo las emboladas por minuto de acuerdo a la producción del pozo.
4. Sistema de retroalimentación que monitorea el motor y sus salidas, ajustándolas para mantener más eficientes los niveles de operación.
1.3 CONEXIONES SUPERFICIALES
Las conexiones superficiales tienen la función de conducir los hidrocarburos producidos por el pozo a la línea de descarga y por ende, hasta la ba tería de separación; todas ellas deben ser para presiones no menores de 1000 lbs/plg2, elaboradas en tubería de 2” efectuando corte y cuerda a fin de adecuarlas a las longitudes necesarias; debido a que las dimensiones varían de acuerdo a cada instalación, generalmente serán elaboradas al momento de ser instaladas en un pozo de reciente conversión al sistema de bombeo mecánico. Cuando se trate de un reacondicionamiento se instalarán las mismas conexiones superficiales que tenía el pozo antes de la intervención con el equipo de terminación y reparaciones de pozos
Dos accesorios superficiales (varilla pulida y mordaza), tienen la función de transmitir el movimiento alternativo a la sarta de varillas de succión; otros dos accesorios (Estopero y Preventor) tienen la función de dar seguridad, a fin de evitar derrames de hidrocarburos al medio ambiente y las válvulas de retención o check cuya función es dejar pasar los fluidos en una sola dirección, evitando su regreso al interior del pozo y así en superficie, se complementa el ciclo ideal de bombeo.
14 4 18 3 5 6 7 7 8 9 9 10 11 12 14 13 16 17 15 12 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA
TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.11 ESQUEMA DEL ÁRBOL DE
VÁLVULAS Y CONEXIONES SUPERFICIALES
1.4 Partes Principales
Nomenclatura de Accesorios y Conexiones Superficiales
ACCESORIOS
1.- Varilla Pulida de 1 ½” .
2.- Grampa para varilla pulida de 1 ½” con uno, dos o tres tornillos dependiendo la profundidad del pozo.
3.- Estopero, con hules para varilla pulida de 1 ½” y rosca inferior estándar de 3” macho.
4.- Preventores con roscas de 3” con conexión hembra en un extremo y conexión macho en el otro, roscas “v” estándar.
CONEXIONES
5.- Tee de 3” , de acero al carbón 3000 lbs/plg2, rosca estándar.
6.- Brida colgadora de 6” de diámetro exterior, rosca macho superior de 3” . Rosca hembra inferior de 2 7/8” hembra, roscas estándar.
7.- Válvula lateral de tubería de revestimiento de 2” 3000 lbs/plg2 bridada. 8.- Válvula de 2” 1000 lbs/plg2, rosca hembra en los extremos, estándar. 9.- Tee de 2” 1000 lbs/plg2, rosca estándar.
10.- Reducción botella de 2” a ½” , rosca estándar. 11.- Válvula de aguja de ½” 5000 lbs/plg2, rosca estándar. 12.- Válvula check de 2” 1000 lbs/plg2, rosca estándar. 13.- Codo de 2” 1000 lbs/plg2, rosca estándar.
14.- Tuerca unión de golpe 2” 1000 lbs/plg2, rosca estándar. 15.- Válvula de flote de 2” 1000 lbs/plg2, bridada o roscada. 16.- Reducción botella de 3” x 2” rosca estándar.
17.- Niple de 2” para 2000 lbs/plg2 de trabajo, rosca estándar. 18.- Niple de ½” para 2000 lbs/plg2 de trabajo, rosca estándar.
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.12 ÁRBOL DE VÁLVULAS Y
CONEXIONES SUPERFICIALES JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ
Acero forjado y tratado térmicamente Probada a 35000 lbs.
Máxima carga recomendada 25000 lbs
Acero forjado y tratado térmicamente Probada a 55000 lbs.
Máxima carga recomendada 25000 lbs
Acero forjado y tratado térmicamente Probada a 75000 lbs.
Máxima carga recomendada 40000 lbs
MORDAZAS
Este dispositivo, mostardo en la figura 13, sirve para sujetar la varilla pulida por apriete. Se coloca en forma permanente cuando se le ha dado el espaciamiento adecuado a la bomba subsuperficial para que la Unidad de Bombeo Mecánico quede operando en condiciones normales después de que se efectúo una intervención a un pozo con el equipo de Reparación y Terminación de.Pozos.
También se utiliza para movimientos que se efectúan con la sarta de varillas, ya sea para eliminar un golpe en la bomba subsuperficial, sacar un registro dinamométrico o reanclar una bomba. Cuando las mordazas quedan permanentes se apoyan sobre el elevador o block cargador y junto con el cable colgador soportan todo el peso de la sarta de varillas y el peso del fluido. Estas mordazas pueden usar uno, dos o tres tornillos para el apriete, incrementándose la seguridad con el número de los mismos. Es recomendable el uso de mordazas con menos tornillos para pozos someros, conforme aumenta la profundida d es preferible la utilización de mordazas con mayor número de tornillos.
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.13 TIPOS DE MORDAZAS JOHNSON
-FAGG
VARILLA PULIDA
Es la unión directa entre la sarta de varillas de succión y el equipo superficial, pasa a través de las conexiones verticales del árbol. El diámetro utilizado en el Activo de Producción Poza Rica es de 1 ½” . Está fabricada en acero aleado al manganeso, níquel y molibdeno. Superficialmente, la varilla pulida tiene acabado espejo con el propósito de no dañar los sellos del estopero fijo al árbol de válvulas en el movimiento ascendente y descendente de la Unidad de Bombeo Mecánico. En la figura 14 se representa una varilla pulida.
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.14 VARILLA PULIDA JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ
ESTOPERO
Mecanismo de seguridad que se localiza en la parte superior del árbol de válvulas para pozos con sistema de bombeo mecánico, sobre la TEE de 3”Ø y cuya función principal es la de contener los fluidos para que no se manifiesten a su exterior por medio de un conjunto de sellos construidos con mate riales resistentes al rozamiento, los cuales se van a ajustar al diámetro de la varilla pulida de 1 ½” Ø, cuando ésta tenga un movimiento ascendente o descendente proporcionado por la Unidad de Bombeo Mecánico; debido a este movimiento, los sellos sufren desgaste por lo que es necesario sustituirlos periódicamente y solamente se pueden cambiar con la Unidad de Bombeo Mecánico inoperante.
En la actualidad se han diseñado estoperos provistos de un mecanismo de preventor con la finalidad de mejorar su función dentro de los mecanismos de seguridad en el árbol de bombeo mecánico. Los estoperos más utilizados en el Activo de Producción Poza Rica son:
Estopero preventor Hércules DPSB Estopero preventor Ratigan 176
En las figuras 15 y 16, respectivamente, se muestran estos dos tipos de estoperos.
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.15 ESTOPERO PREVENTOR HÉRCULES
DPSB
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Conos selladores del estopero
Sellos del preventor Tornillos del
preventor Estopero
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.16 ESTOPERO PREVENTOR RATIGAN
176
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PREVENTORES
Son mecanismos de seguridad que han sido diseñados para impedir, en caso necesario, el paso de fluidos al exterior. S ólo se pueden accionar cuando la Unidad de Bombeo Mecánico no está operando, debido a que en su interior tiene unos sellos de hule llamados “Rams”, que aprietan a la varilla pulida para sellar y evitan el paso del hidrocarburo.
En el caso del preventor doble “E” LP-15, los sellos de hule, pueden sellar aún sin varilla pulida debido a que tienen un rango de diámetros de 0 a 1 ½” . Los preventores son vitales para cambiar los sellos del estopero colocado en la parte más alta del árbol; y para evitar la salida del hidrocarburo a la atmósfera, cuando por alguna rotura de la varilla pulida ésta se precipite al interior del pozo junto con las sarta de varillas. En este percance el preventor ideal es el doble “E” LP -15.
Estos mecanismos están instalados en el árbol de válvulas para bombeo mecánico, sobre la brida colgadora. Las marcas de preventores más utilizadas en el Activo de Producción Poza Rica son: doble “E” LP-15, ratigan 212 y Hubber Hércules 530. En las figuras 17, 18 y 19, respectivamente, se muestra n todos estos tipos de preventores.
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.17 PREVENTORDOBLE “E” LP-15
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.18 PREVENTOR RATIGAN 212
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.19 PREVENTOR HÉRCULES 530
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VÁLVULAS DE RETENCIÓN
El objetivo principal de este tipo de válvulas, comúnmente conocidas como check, es el de permitir el paso de un flujo por una línea en una sola dirección, impidiendo así, el regreso del fluido cuando se presenten c ontrapresiones altas. Los tipos de válvulas de retención son:
De pistón De charnela
En las figuras 20 y 21, respectivamente, se muestran estos tipos de válvulas.
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.20 VÁLVULA DE RETENCIÓN DE
PISTÓN
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.21 VÁLVULA DE RETENCIÓN DE
CHARNELA
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El Reductor de Engranes
Su función es reducir la velocidad del motor principal a una velocidad de bombeo adecuada. Es necesario determinar exactamente la probable torsión máxima a la que estará sujeto el reductor de engranes, ya que el método del Instituto Americano del Petróleo (API por sus siglas en inglés) usa la torsión máxima como base para el rango de las unidades de bombeo. La designación del Instituto Americano del Petróleo para una unidad es simplemente la torsión máxima permisible en el reductor de engranes en miles de pulgadas-libras. Por ejemplo: una unidad normada por el Instituto Americano del Petróleo tamaño 114, tiene un rango de torsión máximo de 114,000 plg-lbs. El Instituto Americano del Petróleo tiene estandarizados 16 rangos de torsión máxima, que varían desde 6.4 hasta 1’824,000 plg-lbs.
La polea del reductor de engranes es el elemento que recibe la potencia del motor principal a través de bandas. La relación del diámetro de la polea del reductor de engranes al diámetro de la polea del motor, y la reducción de velocidad en el reductor de engranes, determinan la reducción total de velocidad del motor principal hasta la varilla pulida. Los tamaños disponibles de poleas de la unidad y el número y tipo de bandas que deben usarse, pueden determinarse de las especificaciones del fabricante de unidades de bombeo.
1.5 BOMBA SUBSUPERFICIAL DE BOMBEO
Tipos de Bombas
Sus funciones son: admitir el fluido de la formación al interior de la tubería de producción y principalmente elevar el fluido admitid o hasta la superficie.
Las bombas subsuperficiales movidas por varillas se dividen en tres tipos: a) Bombas de tubería de producción.
b) Bombas de inserción.
c) Bombas de tubería de revestimiento. a) BOMBAS DE TUBERÍA DE PRODUCCIÓN
Las bombas de tubería de producción, por ser de un diámetro mayor, pueden manejar volúmenes más grandes de líquidos que las bombas de inserción, sin embargo, la carga de fluido sobre la unidad de bombeo no debe ser mayor.
La desventaja de estas bombas estriba en que el barril forma par te de la misma tubería de producción, para efectuar alguna reparación o reposición de partes es necesario extraer la tubería de producción completa; lo que significa una operación más complicada, y por consiguiente, más costosa.
Un factor importante que debe tomarse en cuenta es el alargamiento de las varillas por la carga de fluido, lo que se traduce en una disminución en la carrera efectiva del émbolo, siendo más crítica a medida que aumenta la profundidad del pozo.
Las bombas de tubería de producción operan mejor en pozos que tienen alto nivel de fluidos y en donde la verticalidad del mismo haya sido comprobada.
b) BOMBAS DE INSERCIÓN
Se les denomina bombas de inserción porque el conjunto total de la bomba (barril, émbolo y válvula estacionaria) que v a conectado en el extremo inferior de la sarta de varillas se inserta en un niple de asiento (zapata -candado) instalado en la tubería de producción. Esto representa una ventaja sobre las bombas de tubería de producción, ya que para hacer una reparación o s ustitución de la bomba no es necesario extraer la tubería de producción. La bomba de inserción se desancla y se extrae con la sarta de varillas. Este tipo de bomba es el que más se utiliza en el Activo de Producción Poza Rica, y se muestra en la figura 22.
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TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.22 BOMBA SUBSUPERFICIAL DE
INSERCIÓN
JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ CAMISA DE LA BOMBA NARIZ DE ANCLAJE VÁLVULA DE PIE VÁLVULA VIAJERA ÉMBOLO O PISTÓN MANDRIL DE COPAS VÁLVULA GUÍA DE LA VARILLA DEL ÉMBOLO
CANDADO CONECTOR VARILLA DE SUCCIÓN COPAS O SELLOS EXTENSIÓN SUPERIOR EXTENSIÓN INFERIOR SELLO BABBITT
c) BOMBAS DE TUBERÍA DE REVESTIMIENTO
Este tipo de bombas son sólo una versión más grande de las bombas de inserción.
Materiales Utilizados en la Fabricación de la Bomba
Cualquier bomba subsuperficial, movida por varillas, está constituida de los siguientes elementos esenciales:
1) Barril de trabajo. 2) Émbolo.
3) Válvulas.
Los costos de producción de aceite se incrementan notablemente por fallas frecuentes de la bomba subsuperficial, tanto por los costos de extracción del equipo como por la producción diferida. Por esta razón, es de primordial importancia que de acuerdo con las condiciones del pozo, se seleccione correctamente el tipo de bomba por usar, tomando en cuenta las características de los materiales utilizados en su fabricación.
1) BARRIL DE TRABAJO
Materiales utilizados en su construcción
HI-BRIN. Diseño para pozos con alto contenido de arena y gas sulfhídrico. Se fabrica utilizando un proceso de endurecimiento denominado “nitrocicle”. NITRELINE. Barril construido para alta resistencia mecánica y alta resistencia
a la corrosión. Lleva el mismo proceso de endurecimiento que el anterior (“proceso nitrocicle”). Uso general.
HI-HARD. El barril se fabrica con un contenido de cromo del 5% y con el proceso de endurecimiento “nitrocicle”. Proporciona alta resistencia a la abrasión y a la corrosión por CO2.
KROM-I-DEE. El barril lleva una capa de endurecimiento de cromo proporcionándole alta resistencia a la abrasión y a la corrosión. Se recomienda usarlo en pozos que producen arena y CO2.
SILVERLINE. Este barril se recomienda usarlo en pozos con fluidos no corrosivos y en donde la arena no sea un problema serio.
2) ÉMBOLO
Existen dos tipos de émbolo: metal a metal o de empaque suave. Los émbolos metal a metal se fabrican con superficie lisa o ranurada.
Aparentemente no existe ninguna diferencia en utilizar un émbol o de superficie lisa o de superficie ranurada.
Una posible ventaja del émbolo ranurado sobre el émbolo liso es que una partícula sólida puede alojarse mejor en la ranura del émbolo evitando que se raye.
Un aceite de baja viscosidad (de 1 a 20 cp) puede bombearse con un émbolo metal a metal y con un ajuste de –0.001 plg.
Un aceite de alta viscosidad (más de 400 cp) que probablemente lleve arena en suspensión, puede manejarse con un émbolo metal a metal con un ajuste de – 0.005 plg.
Los émbolos con empaquetadura suave pueden ser con copas o con anillos. En pozos con profundidades mayores de 7000 pies se usan émbolos metal a metal. Materiales utilizados en su construcción:
CO-HARD. Émbolo resistente a la corrosión y a la abrasión. SUPER HARD. Hierro-níquel. Resistente a la corrosión de H2S.
ACERO CON RECUBRIMIENTO DE CROMO. Altamente resistente a la corrosión por CO2 y a fluidos arenosos.
ÉMBOLOS CON EMPAQUE SUAVE. Son resistentes a la corrosión por CO2 y
H2S. Se recomienda usarlos a profundidades menores de 5000 pies.
ÉMBOLOS DE COPAS. Se recomienda usarlos para bombeo de aceite y agua con bajo contenido de arena. Las copas se expanden en la carrera ascendente por la diferencia de presión y se contraen en la carrera descendente disminuyendo la fricción con el barril. La dureza del material, así como el número de copas deben seleccionarse de acuerdo con la profundidad de la bomba.
ÉMBOLOS DE ANILLOS. Constan de las mismas partes que el émbolo de copas, sólo que los anillos son flexibles y los espaciado res son en forma de “L”. Los anillos son de hule resistente al aceite.
ÉMBOLO CON COMBINACIÓN DE COPAS Y ANILLOS. Se recomienda usarlo para la limpieza de pozos sucios o después de un fracturamiento. Es muy efectivo para bombear fluidos que contienen granos de arena tan fina que no pueden ser retenidos por empaques de grava o cedazos.
ÉMBOLO CON VÁLVULA SUPERIOR. Se usa en pozos profundos cuyo contenido de gas sea muy bajo.
ÉMBOLO CON VÁLVULA DE FONDO. Se usa en pozos gaseosos colocando la válvula viajera lo más cercano a la válvula de pie, para evitar el candado de gas.
ÉMBOLO CON VÁLVULA EN LA PARTE SUPERIOR Y EL FONDO. Este arreglo combina las ventajas descritas con los dos émbolos anteriores.
3) VÁLVULAS
a) Válvula de pie (de entrada).- Su función, en el ciclo de bombeo, consiste en admitir los fluidos producidos por el pozo durante la carrera ascendente y evitar el regreso de los mismos hacia el espacio anular en la carrera descendente. b) Válvula viajera (de salida).- Su función, en el ciclo de bombeo, consiste en
desalojar los fluidos hacia la superficie durante la carrera ascendente y durante la carrera descendente permitir el paso del fluido alojado en la camisa de la bomba a través del mismo al punto muerto inferior, dando inicio a un nuevo ciclo de bombeo.
Materiales utilizados en su construcción:
La stellita y el carburo de tungsteno son materiales apropiados cuando los fluidos del pozo son altamente corrosivos debido a la presencia de ácido sulfhídrico (H2S) o bióxido de carbono (CO2) y cuando se maneja mucha arena,
ya que estos materiales son muy resistentes a la abrasión.
Principio de Funcionamiento de una Bomba Subsuperficial y el Ciclo de Bombeo
En términos generales el ciclo de bombeo se desarrolla de la siguiente forma: Cuando el émbolo inicia su carrera ascendente, se cierra la válvula viajera por el peso del aceite sobre ésta; la válvula de pie se abre y da paso al aceite del pozo, llenando la camisa de la bomba.
Al descender el émbolo, se abre la válvula viajera y da paso al aceite de la camisa de la bomba hacia arriba, llenando el interior del émbolo, y cerrando la válvula de pie que impide que se regrese el aceite al pozo.
El émbolo es accionado desde la superficie por una Unidad de Bombeo Mecánico, por medio de la varilla pulida y las varillas de succión, de manera que
contenido en la camisa de la bomba, cuyo volumen va a ser igual al producto del área de la sección transversal interior de la camisa, multiplicado por la carrera del pistón, aproximadamente, ya que siempre se tiene alguna presencia de volumen de gas en el fluido procedente del yacimiento.
El número de emboladas por minuto, dependerá de los cálculos que se hagan de las condiciones del pozo, tanto en capacidad de producción como profundidad del mismo, ya que unas veces estará limitada esa velocidad por la recuperación del yacimiento, falta de aceite y otras por la profundidad del pozo.
Ciclo ideal de Bombeo
Este ciclo se representa en la figura 23, y se desarrolla de la siguiente forma: 1. En el Punto A, la válvula viajera cierra y se inicia la carrera ascendente del
pistón.
2. Del Punto A al Punto B la carga de fluido es transferida de la tubería de Tubería de Producción, a la sarta de varillas de succión.
3. En el Punto B la válvula estacionaria abre y permite la entrada de fluidos del pozo a la cámara de compresión de la bomba.
4. De punto B al punto C la carga de fluido es elevada por el émbolo, al mismo tiempo que se está llenando la cámara de compresión.
5. En el Punto D se inicia la carrera descendente y cierra la válvula estacionaria, la válvula viajera permanece cerrada.
6. En el Punto E, abre la válvula viajera y la carga es transferida de la sarta de varillas a la tubería de producción.
7. Del Punto E al punto F, se desplaza el fluido de la cámara de compresión a la Tubería de Producción.
UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA
TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.23 CICLO IDEAL DE BOMBEO
JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ
1.6 SARTA DE VARILLA DE SUCCIÓN
La función de la sarta de varillas de succión es: transmitir el movimiento de bombeo superficial y la potencia a la bomba subsuperficial. También incluye, si es necesario, la sarta de tubería de producción, dentro de la que operan las varillas de succión, la cual conduce hasta la superficie los fluidos bombeados.
Las varillas de succión disponibles en el mercado son de cinco diferentes diámetros estándar. Su diseño consiste esencialmente en determinar la sarta más ligera, y por lo tanto, la más económica, que pueda utilizarse sin exceder el esfuerzo de trabajo de las propias varillas.
El máximo esfuerzo de trabajo para las varillas depende de su composición química y propiedades mecánicas, además de la naturaleza del fluido bombeado, es decir, si éste es o no corrosivo. Como regla general, es deseable mantener el esfuerzo de las varillas por debajo de las 30000 lbs/plg2, sin embargo, la experiencia en diferentes áreas productoras puede indicar límites menores.
